CN106319629A - 一种用于生产氮化镓晶体的超高压容器 - Google Patents

一种用于生产氮化镓晶体的超高压容器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于生产氮化镓晶体的超高压容器，它包括筒体、上部结构及下部结构，所述筒体外部设置有加热带及保温层；所述下部结构包括置于筒体上端内部的下密封塞及下螺纹压环；所述上部结构包括置于筒体上端内部的上密封塞及上螺纹压环；所述上密封塞通过螺纹连接散热管，所述散热管上部连接加氨装置；所述下密封塞、下螺纹压环、筒体、上密封塞、上螺纹压环及散热管均采用高温合金材料制造；所述筒体内径为30mm‑‑250mm，工作条件为300MPa压力、600℃°且氨气为介质。本发明的目的在于克服现有技术中存在的制得的氮化镓晶体晶格缺陷多的缺点而提供一种生长速度快、晶格缺陷少的用于生产氮化镓晶体的超高压容器。

Description

一种用于生产氮化镓晶体的超高压容器
技术领域
本发明属于超高压容器设备设计、制造领域，特别涉及一种用于生产氮化镓晶体的超高压容器。
背景技术
氮化镓是第三代半导体材料，它在电和光的转化方面性能突出，在微波信号传输方面的效率更高，所以可以被广泛应用到照明、显示、通讯等各大领域。但其形成的条件比较苛刻，在自然界中要2000℃，近万个大气压。
众所周知，晶体的生长需要高温、高压的环境，如钻石、红宝石、水晶等晶体都是在地壳运动时地壳与地壳之间相互碰撞、挤压产生的高温高压的特殊环境中生长的，氮化镓晶体的生长需要的条件与此类似，需要2000℃，近万个大气压。而目前生产氮化镓晶体的主要方式是在常温、常压下以其他晶体（如蓝宝石等晶体）为基底，在电子梀的照射（辐射）下生产晶体。由于温度和压力严重不足，导致了晶体在生长过程中晶体分子之间的连接与重组不能有效结合，故采用这种方法制成的氮化镓晶体晶格缺陷多,每平方厘米约有个左右晶格缺陷，且生长速度慢。本发明型专利是一种采用近似模拟晶体在自然环境中生长的方式来进行氮化镓晶体的生产，即高温（600℃）、高压（300MPa）和强碱性环境下，其特点是晶体生长速度快，晶格缺陷少，每平方厘米晶格缺陷个左右。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中存在的制得的氮化镓晶体晶格缺陷多的缺点而提供一种生长速度快、晶格缺陷少的用于生产氮化镓晶体的超高压容器。
本发明的技术方案是这样实现的：一种用于生产氮化镓晶体的超高压容器，它包括筒体、上部结构及下部结构，所述筒体外部设置有加热带及保温层；所述下部结构包括置于筒体上端内部的下密封塞及通过锯齿形螺纹与筒体相连接的下螺纹压环；所述上部结构包括置于筒体上端内部的上密封塞及通过锯齿形螺纹与筒体相连接的上螺纹压环；所述上密封塞通过螺纹连接散热管，所述散热管上部连接加氨装置，加氨装置预留有两个自由接孔：a孔和b孔，其中a孔为液氨或氨气进口，通过液氨泵和电磁三通阀组将液氨或氨气注入筒体内部，b孔测压或测温孔；所述下密封塞、下螺纹压环、筒体、上密封塞、上螺纹压环及散热管均采用高温合金材料制造；所述筒体内径为30mm--250mm，工作条件为300MPa压力、600℃°且氨气为介质。
下密封塞置于筒体内部，在下密封塞上套有密封环与压环，下螺纹压环通过锯齿形螺纹与筒体相连，并伸入到筒体内部，通过旋合下螺纹压环压紧压环与密封环，从而达到密封底部。
上密封塞置于筒体内部，在上密封塞上套有密封环与压环，上螺纹压环通过锯齿形螺纹与筒体相连，并伸入筒体内部，通过旋合上螺纹压环压紧密封环与压环，从而达到密封上部，上、下密封塞之间形成了容器内腔。
4、根据权利要求1-3任一项所述的一种用于生产氮化镓晶体的超高压容器，其特征在于：加氨装置向容器内填充液氨或氨气时为低压、常温过程，采用“O”型圈进行密封，完成填充后旋合阀芯，加氨装置与阀芯之间形成金属硬密封，而且关闭了进氨孔a孔，满足了300MPa、600℃的使用要求；加氨装置采用高温合金材料制造，阀芯采用不锈钢制造。
所述上密封塞与散热管之间通过螺纹连接，两者之间采用球垫密封。
所述散热管与所述加氨装置之间采用球垫密封。
本发明的技术方案产生的积极效果如下：
一、采用高温合金制造超超高压容器是在该领域的一个探索，为以后类似的设备做了开拓性的探索。
二、因为氮化镓晶体的生长条件极为苛刻，2000℃，近万个大气压，大多数金属在此温度下都难以保证正常的力学性能。而本发明的超高压容器可在600℃，300MPa（通过加氨装置给筒体内部加一定量的液氨或气体氨，然后给外部的加热带通电，使得筒体升温至600℃，通过筒体将热能传递给容器内部的介质氨，液氨或氨气受热后膨胀，从而产生300MPa（相当于3000个大气压）的压力）的情况下可持续、稳定工作，为氮化镓晶体的生长提供了近似于自然环境的生长条件，因此比起在常温、常压的环境中晶体的生长速度和质量都得到了大幅度的提高。
三、本发明中容器顶部的加氨装置实现O型密封和金属密封（即软密封和硬密封）的转换，且结构简单、紧凑，该装置的发明可实现氮化镓晶体的规模化生产。
另外：筒体内径为30mm--250mm，容器可满足在300MPa压力，600℃°，氨气为介质的情况下工作，其密封安全可靠；下密封塞、下螺纹压环、筒体、上密封塞、上螺纹压环及散热管均采用高温合金材料制造，不但耐碱腐蚀而且有较好的耐高温持久性，而一般的超高压容器则采用的是中、低合金钢制造这些部件；加氨装置可完成该设备填充液氨或氨气和正常工作的需要，实现了软密封（低压，常温）和硬密封（高温、超高压）的转换，且结构简单、紧凑，便于操作。
附图说明
图1为本发明用于生产氮化镓晶体的超高压装置的装配示意图。
图2为本发明加氨装置的装配示意图。
图中标注为：1、下密封塞；2、下螺纹压环；3、压环；4、密封环；5、筒体；6、支座；7、加热带；8、保温层；9、上密封塞；10、上螺纹压环；11、球垫；12、散热管；13、加氨装置；14、阀芯；15、O型圈；16、流量计；17、电磁三通阀；18、液氨泵；19、真空泵；20、液氨箱；21、温度控制显示台；a、氨气进气孔；b、测压孔。
具体实施方式
一种用于生产氮化镓晶体的超高容器，如图1、2所示，包括筒体、上部结构和下部结构，所述筒体外部设置有加热带及保温层。所述超高压容器包括下密封塞1、下螺纹压环2、压环3、密封环4、筒体5，支座6、加热带7、保温层8、上密封塞9、上螺纹压10、球垫11、散热管12、加氨装置13、阀芯14、O型圈15、流量计16、电磁三通阀17、液氨泵18、真空泵19、液氨灌20及温度控制显示台21。其下部结构为，下密封塞1置于筒体内5部，密封环4与压环3套在下密封塞上1，下螺纹压环2通过锯齿形螺纹与筒体5相连，并伸入到筒体5内部，通过旋合下螺纹压环2压紧压环3与密封环4，从而达到密封底部。支座6置于筒体5内部用来放置生产氮化镓晶体用的原材料。筒体5外部设置有加热带7及保温层8，通过外部的温控系统来控制温度的升降。上部结构为，上密封塞9置于筒体内部5，密封环4与压环3套在上密封塞9上，上螺纹压环10通过锯齿形螺纹与筒体5相连，并伸入筒体5内部，通过旋合上螺纹压环10压紧密封环4与压环3，从而达到密封上部的，上、下密封塞之间形成了容器内腔。
上密封塞9与散热管12之间通过螺纹连接，两者之间采用球垫11密封。散热管12上部连接的是加氨装置13，两者通过螺纹连接，采用球垫密封。加氨装置13预留有两个自由接孔，a孔和b孔，其中a孔为液氨或氨气进口，通过液氨泵18和电磁三通阀17组将液氨或氨气注入筒体5内部。b孔温测压或测温孔，本示例图中b孔为压力传感器接口，通过该接口可以在控制、显示台上直观的反应出筒体5内部的压力或温度。
在支座上挂好氮化镓晶体生长用的矿石，并置于筒体内部，按说明书附图（图1装配图）组装好容器。接好管路、电路、泵及阀。具体生产使用步骤如下：
步骤1、将加氨装置13的阀芯14旋拧至如图所示位置；
步骤2、启动电磁三通阀17接通左位置；
步骤3、启动真空泵19对筒体5内进行抽真空；
步骤4、关闭真空泵19启动电磁三通阀17接通右位置；
步骤5、启动液氨泵18从液氨灌20中向容器筒体5内注入反应介质氨气；
步骤6、关闭液氨泵18启动动电磁电磁三通阀17接通中间位置，断开加氨管路；
步骤7、将加氨装置13的阀芯14旋拧至下位置，使得阀体的锥面与阀芯的密封面压紧，转换至硬密封状态；
步骤8、操作温度控制显示台21对设备进行升温、保温、降温、升压、保压及降压操作和监控，完成氮化镓晶体的生产。

Claims (6)

1.一种用于生产氮化镓晶体的超高压容器，其特征在于：它包括筒体、上部结构及下部结构，所述筒体外部设置有加热带及保温层；所述下部结构包括置于筒体上端内部的下密封塞及通过锯齿形螺纹与筒体相连接的下螺纹压环；所述上部结构包括置于筒体上端内部的上密封塞及通过锯齿形螺纹与筒体相连接的上螺纹压环；所述上密封塞通过螺纹连接散热管，所述散热管上部连接加氨装置，加氨装置预留有两个自由接孔：a孔和b孔，其中a孔为液氨或氨气进口，通过液氨泵和电磁三通阀组将液氨或氨气注入筒体内部，b孔测压或测温孔；所述下密封塞、下螺纹压环、筒体、上密封塞、上螺纹压环及散热管均采用高温合金材料制造；所述筒体内径为30mm--250mm，工作条件为300MPa压力、600℃°且氨气为介质。
2.根据权利要求1所述的一种用于生产氮化镓晶体的超高压容器，其特征在于：下密封塞置于筒体内部，在下密封塞上套有密封环与压环，下螺纹压环通过锯齿形螺纹与筒体相连，并伸入到筒体内部，通过旋合下螺纹压环压紧压环与密封环，从而达到密封底部。
3.根据权利要求1所述的一种用于生产氮化镓晶体的超高压容器，其特征在于：上密封塞置于筒体内部，在上密封塞上套有密封环与压环，上螺纹压环通过锯齿形螺纹与筒体相连，并伸入筒体内部，通过旋合上螺纹压环压紧密封环与压环，从而达到密封上部，上、下密封塞之间形成了容器内腔。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种用于生产氮化镓晶体的超高压容器，其特征在于：加氨装置向容器内填充液氨或氨气时为低压、常温过程，采用O型圈进行密封，完成填充后旋合阀芯，加氨装置与阀芯之间形成金属硬密封，而且关闭了进氨孔a孔，满足了300MPa、600℃的使用要求；加氨装置采用高温合金材料制造，阀芯采用不锈钢制造。
5.根据权利要求1-3任一项所述的一种用于生产氮化镓晶体的超高压容器，其特征在于：所述上密封塞与散热管之间通过螺纹连接，两者之间采用球垫密封。
6.根据权利要求1-3任一项所述的一种用于生产氮化镓晶体的超高压容器，其特征在于：所述散热管与所述加氨装置之间采用球垫密封。
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